L’ENSENYAMENT DE LA QUÍMICA BASAT EN L’INDAGACIÓ Com...

L’ENSENYAMENT DE LA QUÍMICA BASAT EN L’INDAGACIÓ

Com ensenyar als nostres alumnes a fer treballs de recerca ?

2. Tria o sel∙lecció dels Treballs de Recerca

4. Autocontrol i avaluació del treball individual i de grup

3. Línies de recerca i exemples de treballs

5. Recursos

7. Futur dels TdR

6. Exemple de dos treballs de química recents

1. Característiques dels treballs

XXV Debat de Química a l’Institut d’Estudis

Catalans

10 d’abril de 2013

Miquel Calvet

INS Castellar del Vallès

2. TRIA O SEL∙LECCIÓ DELS TREBALLS DE RECERCA

• Assignatura optativa. La Recerca Científica. 1h setmanal, agrupades en el 1r quadrimestre. Cursos 1996‐97 a 2002‐03

• Exposició del Treballs de Recerca per part dels d’alumnes de 2n de Batxillerat als alumnes de 1r.

En alguns casos es fan propostes de continuïtat del TdR exposat.

• Els alumnes de 1r de Batxillerat escullen un Seminari o Departament prèvia proposta d’un tema per part del professor a les seves classes de l’assignatura de 1r de Batxillerat. La Coordinació de Batxillerat organitza els grups finals.

• Si és el cas, s’intenta desenvolupar alguna proposta dels alumnes.

• Participació en el Programa Argó. Estades d’Estiu a un Centre de Recerca d’onpot sortir una proposta de TdR. Curs 2011‐12, 2012‐13

1. CARACTERÍSTIQUES DEL TREBALLS

• Experimentals i en grup de 2 a 4 alumnes• Treball al laboratori en tardes extres , amb la presència del professor. • En algun cas els alumnes han fet treball experimental a casa seva • Actualment sense reducció horària pel tutor, malgrat el TdR sigui experimental

3. LÍNIES DE RECERCA I EXEMPLES DE TREBALLS

Aire per a respirar•Estudi de la Fotosíntesi, 1996‐97. (CIRIT 1997, alumnes i centre)•El tabac. La màquina de fumar,1997‐98. (CIRIT,1998)•Anàlisi gravimètrica del fum del tabac,1998‐99.

•La llum ens informa•Anàlisi espectroscòpica d’aigües minerals,1997‐98.•Seguint les pampallugues, estudi d’un estel variable.1998‐99. (INJUVE 1999, CIRIT 1999)

•Aigua per a beure•Les zeolites, substituents dels fosfats en detergents, 2000‐01.•Tractament d’aigües residuals mitjançant processos d’oxidació avançats,2001‐02. (CIRIT 2002)•Detoxificació solar d’aigües per fotocatàlisi heterogènia, 2002‐03. (Junior Water Prize 2003)•Depuració d’aigües residuals per electroflotació/electrocoagulació. 2009‐10. (Minerva 2010,SCQ‐IEC‐2010).

•Química verda contra les emulsions.2010‐11. (CIRIT 2011, SCQ‐IEC 2011, Minerva 2011)

•Art i ciència•Estructures sonores Baschet I.1998‐99 (INJUVE 1999, La Clau de so 2001)•Estructures sonores Baschet II , 1999‐00. (CIRIT 2000, La Clau de so 2001).•A la recerca del color, 1999‐00. (CIRIT 2000).•Memnònium: de Memnó al làser acústic. 2009‐10. (Minerva 2010, Argó‐UAB 2010, CIRIT 2010)

•Energies netes•Construcció d’un cotxe hidrogenosolar. Solució de futur? 2003‐04 (Fòrum de les Cultures 2004, UPC 2004, Argó‐UAB 2004, M.Miró i Marimon 2004, José Cantero‐EPSON 2004, CIRIT 2004, Expodidàctica 2004, Projecte EAA)•Disseny d’un cotxe amb hidrogen autogenerat amb borohidrurs. 2004‐05 ( CIRIT 2005) •Producció fotocatalítca d’hidrogen. 2005‐06. Argó‐UAB 2006, SCQ‐IEC 2005, CIRIT 2005, Escola Universitària de Terrassa‐EUNCET 2005)•Muntatge i caracterització d’una placa DSSC. Buscant potència. 2008‐09. )CIRIT 2009, Argó‐UAB2009, SCQ‐IEC 2009, Minerva 2009.

•Cases per a viure confortable•Climatització solar passiva. El mur Trombe,1999‐00. (Youth Solar Expo, Glasgow 2000)•Climatització solar passiva .El sistema Munters‐Trombe, 2000‐01. (INJUVE 2001, CESIC,CIRIT 2001)•Murs amb calor latent. Optimització del sistema Munters‐Trombe, 2001‐02. (Baldiri Reixac 2002)•Auditoria mediambiental I . Anàlisi del confort a l’IES de Castellar, 2002‐03. (Baldiri Reixac 2003)•Auditoria Ambiental II. Anàlisi del confort a l’IES de Castellar, 2002‐03.

•Estudi de nous materials•Nanopartícules ferromagnètiques. Síntesi i aplicacions d’un ferrofluid aqüós. 2007‐08.•Sinterització i caraterització d’un superconductor. 2001‐12. (Argó‐UAB 2012, SCQ‐IEC 2012,Minerva 2012, CIRIT 2012).•Estudi i caracterització d’un aerogel. 2012‐13.

4. AUTOCONTROL I AVALUACIÓ DEL TREBALL INDIVIDUAL I DE GRUP

Repartiment de la nota que us assignarà el professor segons la participació en la feina de grup:•A mesura que acabeu cada fase de l’experimentació apunteu el que cregueu que cal avaluar. •Assigneu a cada component del grup, per a cada ítem avaluable, una nota de les següents (3,2,1,0) segons la seva participació a la tasca. (si us cal explicar el criteri seguit feu‐ho afegint‐hi línies)•Quan estigueu d’acord amb la puntuació que us heu assignat signeu‐ho i Lliureu‐ho la professor/a

TÍTOL: Producció fotocatalítica d’hidrogen. Curs 2055‐06

NOM I COGNOMS

FASE PRE‐EXPERIMENTAL1.1. Preàmbul 3 3 31.2. Abstract 3 3 32.3.1. V‐ heurística 32.3.2. Procediment 3FASE EXPERIMENTAL

3.1.1. Material emprat 33.1.2.1. Elaboració del tap del reactor 3 23.1.2.2. Proves d’estanqueïtat 33.1.3. Construcció del fluxòmetre 33.1.4. Fonts de nitrogen 33.1.4.1. Globus i conjunt tap – aixeta 33.1.4.2. Bomba per insuflar el nitrogen al reactor 33.1.5. Arranjament del sistema 3Passar a net Base d’orientació i càlculs 1,2 i 3 3Reaccions (Base 1) 3Precaucions (Base 1,2) 3Treball al laboratori 3 3 3FASE POST‐EXPERIMENTAL4.1. Interpretació dels resultats 3 3 34.2. Conclusions 35. Propostes de continuïtat 36.1. Annexos 3 3 37. Agraïments 3

NotaNota d’autocontrol global

SignaturesCastellar del Vallès .Dijous 5 de gener del 2006

42/42 53/53 45/45

5. RECURSOS

Centre de Documentació i Experimentació en Ciències CDEC.•Materials, aparells (espectrofotòmetre, etc...) •Assessoria.Lluís Nadal, tècnic del CDEC.

Seminari Permanent de Física i Química•Propostes dels conferenciants•Suggeriments dels companys del SPFQ

•Materials, aparells, assessoria,...

Participació en projectes•Science across the world...

Programa Argó•Modalitat Estades d’Estiu dels alumnes a un Centre de Recerca i posterior Cotutoriadel treball de continuitat de l’estada d’estiu•Modalitat Cotutoria dins del Programa Argó

•Materials, aparells, assessoria

Desenvolupament de línies de recerca•Propostes de continuitat de Trebasll de Recerca de cursos anteriors

Dotació del laboratori de l' institut. •Multilab. Captació de dades amb sensors•Compra de material per part de la Junta Directiva i l’AMPA Institut

6. EXEMPLE DE DOS TREBALLS DE QUÍMICA RECENTS

Depuració d’aigües residuals per electrocoagulació/ electroflotació 2009‐10

Objectius del Treball

1. Fer una recerca bibliogràfica sobre els mètodes que s'utilitzen actualment per a depurar purins de granges i aigües tèxtils amb un excés de colorants

2. Estudiar el mètode d'electrocoagulació‐electroflotació per a depurar aigües amb colorants i aigua oliosa.

3. Dissenyar un reactor que funcioni de forma autònoma i que sigui sostenible perpoder depurar aigües olioses, amb purins o colorants per electrocoagulació/electroflotació.

V A

ànode

càtode

Font d’alimentació

Cèl∙la electrolítica

AIGUA OLIOSA

2 e‐

2 e‐

M M2+

L‐H(aq)

2H2O (l) 2OH‐ (aq) + H2(g)

(HO)M(OH) (s)

L‐M(OH)(s)

FANGS

L‐M(OH)(s)

M

1.L’aigua es redueix al càtode (Al)

2.L’ànode s’oxida (Al)

3.El electrons viatgen pel circuit

4.Formació d’un hidròxid insoluble

5. L’hidròxid forma un complex amb els pol∙luents L‐H

6.Les bombolles d’hidrogen fan surarels fangs. L’aigua queda neta

Com funciona?

Mn+

Fase aquosa

Mn+

FASE OLIOSA COALESCIDA

Mn+

olioli

surfactant Fase aquosaPoluentsemulsionats

Depuraciód’aigua oliosa

Disseny de l’experiment

Preparació emulsiód’aigua oliosa /

Dilucions

Depuració segons control de variables

Influència de la salinitat

Influència de la temperatura

Influència de la densitat de corrent

Variacióde pH

Estructura de la recerca


+ -

Càtode

Ànode

Voltímetre

Amperímetre

Font d'alimentació

PH Termometre

Consola Multilog

Depuració d’aigua oliosa


Preparacióemulsió

d’aigua oliosa / Dilucions



Influència de la

temperatura


Variacióde pH

Preparació emulsió d’aigua oliosa/ Dilucions Depuració d’aigua oliosa


Preparacióemulsió




Influència de la

temperatura


Variacióde pH

Emulsió d’oli i NaCl(aq)d’una conc. determinada

Depuració segons control de variables Influència de la salinitat• Procediment



Preparacióemulsió




Influència de la

temperatura


Variacióde pH

30 minuts

Absorbància i transmitància

Massa dels electrodes

Massa dels electrodes

Influència de la salinitat•Resultats

Mostres Temps Absorbància Transmitància Voltatge Intensitat Massa càtode Massa ànode(t/min) (Abs) T ( %) (V/v) ( I/A) (m/g) (m/g)

inicial 0 2,724 0,2 2,02 0,1 7,2 6,721 2 2,708 0,2 2,02 0,092 4 2,658 0,2 2,02 0,093 6 2,136 0,7 2,01 0,094 8 1,844 1,5 2,01 0,15 10 0,712 19,2 2,01 0,16 12 0,981 10,6 2,01 0,17 14 0,169 68,4 2,01 0,18 16 0,145 71,5 2,01 0,19 18 0,142 72,1 2,01 0,110 20 0,11 77,5 2,01 0,111 22 0,175 66,2 2,01 0,1112 24 0,125 74,9 2,01 0,1113 26 0,148 71 2,01 0,1114 28 0,225 57,6 2,01 0,1115 30 0,052 88,4 2,01 0,11 7,2 6,7



Preparacióemulsió




Influència de la

temperatura


Variació de pH

Observem el canvi entre la primera mostra i l’última ja depurada



Preparacióemulsió




Influència de la

temperatura


Variacióde pH

Microdepuradora amb un termostat + -

Càtode

Ànode

Voltímetre

Amperímetre

Font d'alimentació

PH Termometre

Consola Multilog

REOSTAT

Conclusions

•Es va aconseguir estudiar i provar el mètode d’electrocoagulació / electroflotació.•Es va depurar aigua amb colorants.

•Es va realitzar el disseny d’ un reactor per depurar purins autosuficient i sostenible

Font d'alimentació

Aigua oliosa

circuit anòdic

circuit catòdic

Reactor autosuficient

- +

Presed

imen

tado

r

Conjunt de cel∙les Detall d’una cel∙la

•El mètode d’electrocoagulació/electroflotació va permetre depurar amb èxit una aigua oliosa.

Les condicions òptimes són: 2 % de NaCL a 40º C i alta densitat de correntEl pH es manté quasi constant i lleugerament bàsic.La quantitat d’alumini gastat en l’ànode és ínfima.

Química verda contra les emulsions. Separació del petroli en l’aigua de mar amb microones 2010‐11

FASE OLIOSA

50% tensioactiu

FASE AQUOSAtensioactiu

50%

Mw

OLI

TENSIOACTIU

AIGUA

-

-- -

--

oli

sulfactant FASE

AQUOSA

��

�

surfactant Fase aquosa

��+

Fase aquosa

��+

FASE OLIOSA COALESCIDA

Mn+

Fase aquosaFASE OLIOSA COALESCIDA

Mw

+ -

Càtode

Ànode

Voltímetre

Amperímetre

Font d'alimentació

Microdepuradora

Podem separar el petroli de l’aigua de mar ?

Podem netejar de manera eficaç i sense contaminar les bodegues dels vaixells petroliers?

•Fer una recerca bibliogràfica sobre:•El problema del petroli abocat a alta mar, tant per part de vaixells com per plantes petrolíferes•Efectes sobre el medi•Problema polític a nivell mundial•Solucions en l’actualitat

•Estudiar experimentalment la separació emulsions d’aigua i derivats del petroli mitjançant microones i optimitzar el procès

•diferents percentatges d’oli i de dissolució aquosa•diferents tensioactius•diferents temps.

•Fer una proposta d’aplicació de microones en un vaixell depurador d’aigua contaminada amb petroli.

Objectius

a) Preparació d’una dissolució d’aigua amb 2% de NaCl

980cm3 d'aigua destil·lada

Diluir 20g NaCl en un vas

Pesar 20g de NaCl

Abocar en un matràs aforat de 1000cm3

Afegir aigua fins a l'enrasament

Remenar

Dissolució del 2% de NaCl en aigua

20.00g

1000cm3 1000cm3

Agitar

Procediment

b) Preparació de les emulsions i posterior tractament amb microones

X cm3 de dissolució del 2% de NaCl

Afegir X cm3 d'oli

Afegir X g de tensioactiu aniònic / catiònic / no afegir tensioactiu

Emulsionar durant 4 minuts amb el turmix

Posar 100cm3 d'emulsió al microones X s

Ebocar l'emulsió a un vas de decantació de 100cm3

oli aigua

Abocar l'emulsió en un embut de decantació de 100cm3

Esperar 24h

2 fases

Extreure la fase aquosa i posar-la en un gobelet de l'espectroscopi

Fer la lectura de l'absorbància amb l'espectroscopi

Absorbància

50

40

30

20

10

0

50

40

30

20

10

0

Aquest procediment es va dur a terme per cada una de les 90 mostres (repòs i tractament amb microones). Una alumna de manera autònoma va fer bona part d’aquestes probes a la seva habitació, on va muntar el laboratori, durant les vacances de Nadal

Resultats

CONCLUSIONS

• L’emulsió d’aigua amb un 40 % d’oli i tensioactiu aniònic, tractada amb microones durant un temps T3 (549s a 240W de potència ) és la que millor s’ha separat.

• En general, a més irradiació menys absorbància, però si excedim el temps òptims d’irradiació amb microones l’absorbància torna a pujar.

• La presència d’un tensioactiu, ja sigui catiònic o aniònic, afavoreix la separació de les emulsions en dues fases, una d’oliosa i una altra d’aquosa.

• Sembla que l’agitació tèrmica adquirida per les molècules polars (aigua i tensioactiu) en irradiar les emulsions passa en part a les apolars i afecta els resultats.

• Segons la legislació vigent, la fases aquosa resultant de l’emulsió anterior ha millorat la seva puresa, però no suficientment per ser abocada directament al mar, ja que encara té una DQO massa alta i caldria un tractament biològic posterior.

7. FUTUR DELS TREBALLS DE RECERCA

Miquel CalvetINS de [email protected]

Si no s’assigna al menys una hora lectiva al professor tutor del treballs de recercade tipus experimental aquest s’acabaran.

Es faran només treballs bibliogràfics

Es podran consultar els Treballs de Recerca del Seminari de Física i Química de l’INS de Castellar a:

http://www.iescastellar.cat | Departaments |Física i Química |

GRÀCIES PER LA VOSTRA ATENCIÓ

MOLTES FELICITATS ALS ALUMNES I TUTORS GUARDONATS EN AQUESTA EDICIÓ

L’ENSENYAMENT DE LA QUÍMICA BASAT EN L’INDAGACIÓ Com...

Documents

Transcript of L’ENSENYAMENT DE LA QUÍMICA BASAT EN L’INDAGACIÓ Com...